曹 正，李 東

（1.中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610000；2.貴陽市交通集團項目管理公司，貴州 貴陽 550000）

在邊坡治理工程中，錨桿框架梁具有較好的加固效果，錨桿能有效增加潛在滑移坡體的抗滑力，框架梁能有效增加坡體的整體性和護坡功能，兩者的結(jié)合能有效提高邊坡整體穩(wěn)定性，降低滑移失穩(wěn)的風險，該措施在邊坡工程中應用較廣泛。但在碎石土邊坡中，雖然錨桿框架梁護坡對破碎巖體具有固結(jié)穩(wěn)定作用，護坡效果也較好，但是在施工過程中，錨桿極易受土體裂隙、地下水層位、錨固深度、錨桿材料、注漿壓力、外加荷載等因素影響，導致錨桿導致錨固力損失?；谝陨蠁栴}，有待研究碎石土邊坡中錨桿的錨固性能。

近年來，國內(nèi)外不少學者針對上述問題也做了諸多研究。張文昌[1]從實際工程出發(fā)，對高切坡的掛網(wǎng)錨桿支護措施及工施工工序要點進行了仔細分析；王文濤等[2]以實際工程為依托，對框架梁變形、錨桿成孔工藝及注漿困難問題進行了相關(guān)概述及分析，并提出了具體的解決措施；蔡學智[3]以實際工程為例，對碎石土邊坡錨索框架梁施工方法進行了研究探討，提出了實施方案，解決了成孔難題；曾偉金[4]從土質(zhì)高邊坡實際工程出發(fā)，介紹了錨桿及框架梁聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)的治理效果，總結(jié)了相關(guān)施工經(jīng)驗；夏長城[5]在考慮了碎石土邊坡穩(wěn)定性影響因素后，通過室內(nèi)模擬試驗研究了碎石土的力學特性，分析了碎石土的C值和φ值變化規(guī)律。而在加固邊坡穩(wěn)定性分析中，強度和變形特性一直是人們關(guān)注的焦點。在之前的研究中，如ZHOU 等[6]所討論的預應力錨桿變形與邊坡的變形是成對比的；HE 等[7]利用WINKLER 在1876 年提出的彈性基礎梁模型，分析預應力錨固基礎梁與基礎之間的相互作用；ZENKOUR[8]采用簡單和混合剪切變形理論，研究了彈性板的受力狀態(tài)和位移狀態(tài)；LIEW 等[9]研究了WINKLER 地基上Mindlin 板的微分求積方法?？梢?，雖然邊坡的強度穩(wěn)定性在許多工程邊坡中得到了廣泛的關(guān)注，但是對于帶錨桿框架梁結(jié)構(gòu)的變形還沒有統(tǒng)一的分析方法，對帶錨框架結(jié)構(gòu)的變形計算方法只做了有限的研究。

鑒于以上分析可知，碎石土邊坡中錨桿錨固性能的研究仍具有實際價值。本文將以貴陽市觀潭大道在建項目為研究背景，以碎石土邊坡工程特性為切入點，對粉砂質(zhì)碎石土層中錨桿的錨固性能等方面進行研究，分析結(jié)論對碎石土邊坡治理及類似工程施工具有重要指導意義和參考價值。

1 工程概況

本文以貴陽市觀潭大道在建項目為研究背景，研究探討錨桿支護對粉砂質(zhì)碎石土及破碎巖體邊坡穩(wěn)定性的增強效果。建設項目所在場區(qū)路塹邊坡覆蓋層從上至下均為粉砂質(zhì)碎石土、中風化泥巖、中風化鈣質(zhì)泥巖（局部含煤系地層）。粉砂質(zhì)碎石土呈灰褐、紅褐色，硬塑狀為主，稍濕，偶含鐵錳質(zhì)結(jié)核，稍有光澤，干強度和韌性中等，碎石等硬質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為20%～50%，碎石骨架以泥巖和泥灰?guī)r為主。地勘揭露粉砂質(zhì)碎石土強度中等，土體松散破碎。中風化泥巖或中風化鈣質(zhì)泥巖呈深灰色，薄至中厚層，局部夾深褐色頁巖。巖體層間有夾層，局部巖體夾層光滑，有沿傾角滑動趨勢，整體巖質(zhì)破碎，穩(wěn)定性較差，遇水后穩(wěn)定性降低。

2 碎石土邊坡工程特性及加固措施

根據(jù)定義，碎石土具有孔隙大、透水性強、變形小等特點，其力學性質(zhì)一般與含石量、土質(zhì)特性、土石膠結(jié)模式及含水量等因素有關(guān)。一般而言，碎石土邊坡失穩(wěn)破壞模式主要有滑移破壞、泥石流、崩塌破壞等。當碎石土邊坡坡體中軟弱結(jié)構(gòu)面剪應力達到抗剪強度時，坡體將發(fā)生滑移破壞，受降雨、地震、施工開挖方式及自身性質(zhì)的影響較大。當降雨量較大時，坡體同時具有一定的匯水面積及物源物質(zhì)，水流與碎石土體一同流下形成泥石流災害。崩塌破壞往往是由于巖土體承受的荷載超過了其極限抗拉強度或抗剪強度而失穩(wěn)破壞。

對于碎石土邊坡的治理措施，多采用“錨桿+框架梁”和“預應力錨索+框架梁”等支護形式，錨桿及預應力錨索可增加錨固力以提高邊坡抗滑力，框架梁使得邊坡完整性更強，應力分配更均勻。在錨桿框架梁加固的邊坡支護結(jié)構(gòu)中，錨桿是主要的受力構(gòu)件和傳力構(gòu)件，即坡土自重和外荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力通過錨桿與支護結(jié)構(gòu)之間的連接傳遞到自由截面上。錨桿作為此類支護體系的主要受力和傳力構(gòu)件，其變形直接影響邊坡支護體系的整體加固效果。

3 碎石土邊坡錨固計算理論

3.1 錨桿錨固力計算理論

根據(jù)土層錨桿設計與施工規(guī)范，圓柱形錨桿錨固力（K·Nt）計算公式如下。

對于黏性土：

對于非黏性土：

式（1）（2）中：K為安全系數(shù)；Nt為土層錨桿的軸向拉力設計值；d2為錨固體直徑；La為錨固段長度；σ為錨固體剪切面上法向應力；φ為土體內(nèi)摩擦角。

而對于土層中錨桿錨固體與土體的粘結(jié)強度的計算公式為：

式（3）中，k0為錨桿錨固段土壓力系數(shù)；γ為土體天然重度；h為錨固體中點埋深。

3.2 錨桿拉拔力計算模型

錨桿拉拔力計算模型可用Burgers 模型表達[10]，它與蠕變位移的關(guān)系為：

式（4）中：u為蠕變位移；F0為恒定軸向拉拔力；K1、K2為彈簧元件的剛度；η1、η2為粘滯系數(shù)。

根據(jù)大量試驗，砂漿-巖土界面之間的摩擦力大于錨桿與砂漿界面之間的摩擦力。因此，砂漿-巖土界面之間的摩擦力主要用于抵抗施加在錨桿系統(tǒng)中錨桿端部的上拔力，錨桿抗拔承載力的計算公式為：

Fu=πdLaτ（5）

式（5）中：Fu為對錨桿施加得極限拉拔荷載；d為錨桿直徑；τ為錨桿-砂漿界面的粘結(jié)應力。

3.3 框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計算

對于框架梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算，在確定錨桿設計錨固力后，將2 個錨固點之間框架梁簡化為簡支梁計算內(nèi)力，采取最不利原則，用錨桿的最大設計荷載T近似計算分布荷載P，即：

式（6）（7）中：T1、T2為框架梁兩端錨桿的設計荷載；L為兩錨桿之間的框架梁長度。

如果T1=T2=T，此時框架梁上所受荷載為均布荷載，則有：

為保證錨桿邊坡變形時框架梁的安全，在設計計算中，常將系數(shù)乘以1.5 或錨桿極限荷載納入上述公式進行計算。對于框架梁的結(jié)構(gòu)變形計算方法，經(jīng)典的方法是將框架橫梁、豎梁劃分為橫梁單元、豎梁單元，視為連續(xù)梁，并用結(jié)構(gòu)力學中的方法進行計算。

4 碎石土邊坡錨桿抗拔力影響因素

4.1 巖土工程條件

各場區(qū)地質(zhì)應力的不同導致巖土體力學性質(zhì)存在各向異性，該差異將導致不同邊坡存在不同的破壞模式，也將造成支護結(jié)構(gòu)以不同的形式失效。對于錨桿框架梁加固碎石土邊坡，巖土體力學性質(zhì)的不同將導致錨桿破壞模式、極限拉拔承載力及失效機理等均有所差異。在強降雨時，雨水會滲透到巖體中，降低巖體的抗剪強度，這些環(huán)境因素都會引起錨桿錨固力的變化。當土體較軟時，黏結(jié)摩擦強度最大值較小，應力分布范圍大且均勻。當錨桿通過巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面，巖體內(nèi)部裂隙在錨固力作用下受到壓縮，這也會造成錨桿錨固力的損失。

4.2 人為控制因素

在碎石土邊坡工程治理中，錨桿錨固性能發(fā)揮程度取決于錨桿的設計與施工工藝。在碎石土體中，施工錨桿極易受土體裂隙、地下水層位、錨固深度、錨桿材料、注漿壓力、外加荷載等因素影響，導致錨桿抗拔力損失，從而達不到設計要求。在錨固段注入的砂漿在碎石土中擴散是很不均勻的，這將導致錨固段錨固強度分布不均，拉拔時會沿薄弱部位優(yōu)先啟動拔出，從而失去承載力。錨桿拉拔完成后，錨固處的回彈變形與錨桿松弛會造成錨固力的損失。這種損失是不可避免的，但可以通過改進施工方法和施工質(zhì)量來控制。除此，施工擾動對其抗拔力也會產(chǎn)生一定程度影響。

5 碎石土邊坡錨桿抗拔力增強方法

5.1 采用合適的注漿方式

高壓注漿能增加砂漿在碎石土層中的擴散半徑，相當于擴大了砂漿與碎石土層的有效接觸面積。高壓注漿對碎石土、粗砂及滲透系數(shù)較大的中砂有顯著效果，而對于滲透系數(shù)較小的中砂及細砂，效果并不明顯。當淤泥質(zhì)土、黏土、碎石土的抗剪強度小或流砂等原因?qū)е裸@孔達不到設計孔深時，可采用二次高壓灌漿處理，二次注漿形成的異形體能改善錨桿周圍土體和粘結(jié)灌漿體的力學性能。

5.2 提高錨桿摩阻力

一般來說，隨著錨桿的連續(xù)拉拔，錨桿末端首先與地面發(fā)生較大的剪切，產(chǎn)生一定的塑性變形，端面摩擦阻力降低，摩擦阻力將向后傳遞。為了增加摩擦阻力，可采取延長錨桿頭的措施，增加摩擦面積及增加摩擦阻力。對于砂漿錨桿，其拉拔阻力主要來自固體錨柱與地下層、錨柱與泥漿之間的摩擦力，提高摩擦阻力能有效提高錨桿的極限拉拔能力。

5.3 優(yōu)化施工工藝

優(yōu)化錨桿成孔工藝：可優(yōu)化鉆頭、鉆桿及鉆進方式等來解決錨孔成孔進尺慢、效率低的技術(shù)難題。若在成孔過程中進行注漿工作，可有效提高錨桿抗拔力，但這一難題仍需要做大量的研究工作以尋求一套完備的一體化施工設備和技術(shù)。

優(yōu)化錨桿注漿工藝：由于碎石土層土質(zhì)松散，成孔完成后由于土層自持力較差易發(fā)生塌孔現(xiàn)象，針對這一問題可采用套管跟進技術(shù)。在注漿注滿時應保持注漿壓力3～5 min，注漿時加入適量膨脹劑和速凝劑以促使?jié){體膨張、早凝及控制泌水。

優(yōu)化框架梁施工工藝：框架梁在現(xiàn)場施工中會出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象，針對這一難題可減小澆筑混凝土坍落度加以解決，并嚴格檢查各環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量，以達到設計效果。

6 結(jié)束語

綜上所述，本文從碎石土邊坡工程特性出發(fā)，引入了錨桿框架梁錨固計算理論與模型，分析了碎石土邊坡中錨桿錨固力損失的影響因素，概述了碎石土邊坡錨桿抗拔力的提升方法，總結(jié)如下：①錨桿框架梁護坡對粉砂質(zhì)碎石土體、破碎巖體具有固結(jié)穩(wěn)定作用，護坡效果較好，但錨桿極易受土體裂隙、地下水層位、錨固深度、錨桿材料、注漿壓力、外加荷載等因素影響；②對錨桿施加拉拔力時，錨固區(qū)剪應力取決于界面間的耦合機制，而錨固長度越大，錨固區(qū)內(nèi)對外荷載的響應范圍越大；③碎石土邊坡錨桿抗拔力增強方法可以從注漿方式、提高錨桿摩阻力及施工工藝等方面考慮。